歷史

我們大致將這段精彩的歷史分為三個主要時段

 

一、萌芽期:在1904年弗萊明發明了真空管(二極體)之前的200年,諸多科學偉人如安培、庫侖、福特、高斯、亨利、法拉第、克希荷夫、馬克斯威爾、歐姆、布林(最早的二進制觀念0與1)等人,在物理與電機的研究有了初步的成果,雖是初步但在那個沒有精密儀表,沒有示波器的年代,這些人利用他們有限的支援、材料與理論大膽的假設與推敲奠定了今日的電子工業。

首先將這些理論與學術轉換成成果的就是山姆摩爾斯,他在1837年發展出了電報系統,摩爾斯電碼中的點音與長音代表著數位(二位元)信號,也代表著二位元首次被運用。1876年貝爾發明了電話,這個發明也代表著訊號能利用電能與導體做長距離的傳輸。值得一提的是1865年馬克斯威爾,將許多研究者的成果匯集成電磁統一理論(馬克斯威爾方程式),其理論主要目的在推測電磁波的存在,且能在空間中傳播。此為理論比實際更早出現的例子。在此之前,科學往往是先有實際現象才有理論基礎(如牛頓先生是先看到蘋果掉下來才有地心引力的理論)。1888年赫芝在實驗室才證實了這種電波,並取名為赫芝。1896年馬克尼成功的將這種電波發射並且在約2哩的地方測得他所發射的波,馬克尼讓無線傳輸有了初步的起源。

在音響的部份,1887年愛迪生發明了留聲機,讓聲音訊號得以重播,也證明了訊號是可以被儲存與還原。所以留聲機雖是音響的起源但也可被視為是第一個典型的ROM(唯讀記憶體)

之後愛迪生又發展出:加熱燈絲能發射電子的愛迪生效應理論,於1898年布朗製造了第一個真空管,一個原始的陰極射線管(CRT)有了實物的起源。

 

二、真空管時代:

弗萊明於1904年運用愛迪生效應發明了第一個雙極元件:二極體。即今日俗稱的真空管(Valve)。1906年德福萊斯特將弗萊明的真空管二極體原有的兩極之間,加入了柵極形成了三極管。使原來的二極管僅能檢波的功能變成可以放大的功能,這是電子學歷史上重大的成就。

有了放大器實際的存在再加上工業技術的改良。1911年三極管正式成為實用的元件,這也代表著電子學實用時代的來臨。

 

利用簡單的二極管與三極管,早期的工程師們運用他們創造力發明了許多具有實際功能的線路如:串級放大器(1912年)再生式放大器(1912年阿姆斯壯發明)振盪器(1912年德福萊斯特發明)外差線路(1917年阿姆斯壯發明)複振器(1918年艾克利斯發明)。其中再生式放大器即目前所謂的正回授,而複振器即目前所稱之正反器也就是計時器的先驅者。

 

放大器的成功發明立即在商業上被廣泛運用,如1920年西屋電器公司在美國賓州建立了第一家商用無線電廣播電台KDKA,到1924年美國已有500座的無線電台。

有了三極管之後四極管與五極管陸續被開發出來,1927年布拉克發明負回授放大器與調頻鑑別器,於1930年阿姆斯壯又發明了頻率調變的發射與接收(簡稱FM),同一年黑白電視機也誕生了。由於受到二次世界大戰的影響,直到1950年彩色電視機才被發展完成,到了1960年彩色電視機已成為傳播的主流。

 

除此之外,人類自古即對計算有濃厚的興趣與需求,中國人很早就開始使用算盤來當作計算的工具。拜電子工業所賜,1930年IBM即開始建造電子式計算機(今日的電腦)但直到1946年才有較實際的發展。

這期間第一部可執行加減乘除的計算機需用超過18000個真空管,其大小相當於10×13平方公尺的房子,可說笨重而且不實用,但有了這些基礎,電腦成為一種可能。

 

到了1948年IBM已製造出4000個603型計算機且完全銷售出去。這一年可算是電腦工業成功的開端,同一年電晶體也誕生了。在真空管發展的後期,除了數位電腦小有成就之外,也發展出許多的類比電腦,類比電腦主要用來計算微積分方程式,這也使運算放大器有了眉目。

在真空管迅速發展的年代幾乎全世界所有頂尖的科學家、技術者與研發單位無不爭先開發出新產品與線路,一方面是人類的生活需求另一方面也是為了戰爭。所以這個年代幾乎所有的電子發展都跟傳播、重播與元件有關如無線電、雷達、視訊與聲音重播。

 

三、半導體時代:

也可以算是電晶體的時代,半導體電子時代是自1948年電晶體發明開始。在這之前半導體主要是屬於物理學家的研究範圍,在這更早以前於1930年即有人嘗試製造出固態電子裝置,至於二極體發展就更早了,第一個半導體二極體是於1906年皮卡德先生利用矽晶體與貓鬚線(一種金屬線)所製成的一種檢波器,然而性能不可靠不久即放棄不用。所以當你看到一些古老的電晶體時,不用懷疑那都是近50年才有的產品。

話說重頭:整體推動半導體工業是在1945年才產生,主要因為真空管的(1)耗電太高(2)壽命太短,燈絲易燒燬及老化(3)體積太大(4)需用高壓電……等而這些問題卻造成電子工業快速開發的絆腳石。

當時貝爾實驗室的主任,M.J.Kelly非常有遠見,他認為因應未來電子的衝擊,就必須發展固態電子與更好的放大器來改善真空管的缺點而不是一味的改進真空管。

於是他成立了一個固態物理研究群,在1947年12月第一個固態放大器鍺電晶體誕生了,這個發現在1948年6月30日正式發表,但有一個重要課題尚未完成,那就是必須要有可靠的鍺晶體,因為要以鍺晶體來做固態放大器(電晶體)其雜質至少須控制在一億分之一以下才算可靠。

 

1950年貝爾實驗室成功的完成鍺單晶片的製作,其雜質含量比十億分之一還要低,於是1951年商用電晶體被成功的製造出來。

當時美國AT&T這家公司(即貝爾實驗室的主要支柱)作了一項重要的決議,那就是不將這些發現與技術保密,他們主動將這些資訊公開與學術界甚至是其他公司的工程師共同分享。更重要的是將專利權提供與任何一家想生產電晶體的公司。於是這方面的技術快速被發展,也奠定了未來美國電子工業能執世界牛耳的碁石。

首先製造電晶體是那些真空管的製造公司,如RCA、GE(奇異)、Westinghouse(西屋)及WE(AT&T的下游廠商)等。在這些生產公司中有一家是德州儀器,他們成立了新的固態物理實驗室,於1954年宣佈製造出矽電晶體,也就是今天我們常見的電晶體

 

雖然電晶體的體積已經是小於真空管的數十倍甚至數百數千倍,壽命也更長,頻寬更寬,特性也更好更穩定,但當時的科學家似乎沒有停止追求與創造的跡象,反而很快的有了新的構思。

1958年德州儀器提出了一個單晶電路概念,也就是在同一晶片中製造出完整電路的概念,三年後1961年Fairchild公司與德州儀器公司生產出第一批商用單晶電路,也就是今日俗稱的IC(積體電路)。

 

有了基本技術面,科學家們開始在密度上發展出驚人甚至是難以至信的成績:

1948年───電晶體誕生

1951年───電晶體商業化

1961年───小型積體電路SSI:每個晶片中可容納最多約100個電晶體。

1966年───中型積體電路MSI:每個晶片中可容納100~1000個電晶體。

1969年───大型積體電路LSI:每個晶片中可容納1000~10000個電晶體。

1975年───超大型積體電路VLSI:每個晶片中可容納10000個電晶體以上。

到了1984年每個晶片已可容納超過40萬個元件,相當於每平方毫米有3萬個元件(毫米=0.1公分)

IC的發展使電腦工業可以縮小化;同樣的電腦工業的發展也刺激著IC高速成長與需求。

 

數位IC於1961年即有初步的開端亦即現今的TTL IC,為了降低消耗功率與更小的裝置體積CMOS IC在1980年代成為主要的數位技術。而電腦工業中的另一個重心就是記憶體。記憶體大致可分為RAM(隨機存取記憶體)與ROM(僅讀記憶體)在1970年RAM即開始上市,當時大約可儲存1000個位元,1973年利用MOS技術已能儲存16000個位元,1978年64000個位元,1982年288000個位元,到了1986年已可儲存100萬個位元,而且快速進步中。

 

電腦最重要的工作在於儲存與計算而能量轉換的部分就得需用到類比電路。第一個重要的類比IC是在1964年由Fairchild半導體公司所發表出來的運算放大器µA709(也就是µA741的前身),之後很快的運算放大器便成為類比訊號處理中重要的元件,包括類比乘法器、加法器、減法器、DA轉換器、AD轉換器、有源濾波器等很多各型各式的電路都相繼被開發出來。

 

有了IC產業並不代表著電晶體就可以馬上消失或是不重要,某些高功率、高電壓、高頻域、高速率的元件,在積體電路中製作還是有其諸多困難尚待克服,如互相干擾、散熱問題等,故在多數產品中IC與電晶體都是混合著使用。只是未來的趨勢中IC還是扮演著重要的角色,唯開發高品質的IC愈來愈難。

同樣的有了電晶體也並不代表著真空管就可以馬上淘汰,最簡單的例子就是1948年有了電晶體到1990年微電子工業當道,人人都還是得依靠真空管,因為那時您家裡所看的彩色電視機螢幕其時就是一個大型的真空管,而且尺寸還愈做愈大。直到近幾年電漿電視與液晶電視的商品化我們方可降低對真空管的依賴。

世代的進步是相交替的,我們必須瞭解以前,認識現在才有本錢放眼未來。

最後吾等相信電子工業將仍然為4個C:元件、通訊、計算與控制。而這4個C在電子學的領域中仍然脫離不了放大與開關的基本定義。所以要將今日的某一種商品在這4個C當中來分類無疑是一種困難,因為它們之間都是互相關連,也互相成長。

對於基本概念的認知與否將主宰著未來科技的進步與否。

Noyce曾說:在二十世紀末電子的學問就好像今日的馬達───不受重視,但卻又最重要。 

谷津音響93/12/02